NASA створює п'ятий стан матерії: навіщо атоми заморожують у космосі

Як працює заморожування на орбіті?

Головне завдання лабораторії Cold Atom Lab - охолодження атомів хімічних елементів до екстремальних значень (нижче −237 °C).

У таких умовах частки практично повністю втрачають енергію руху та об'єднуються в єдину структуру - конденсат Бозе-Ейнштейна (BEC). Цей феномен фізики називають п'ятим агрегатним станом матерії після твердих тіл, рідин, газів і плазми.

У стані конденсату великі хмари атомів починають поводитися як одна гігантська квантова хвиля, підкоряючись законам квантової механіки.

Технологічний процес запуску експерименту складається з кількох етапів:

Створення газу: спеціальні металеві смужки рубідію або калію нагріваються до високої температури (до 400 °C), утворюючи щільний газ усередині вакуумної камери.

Лазерне гальмування: потоки лазерів специфічної частоти б'ють по хмарі газу, сповільнюючи рух атомів і радикально знижуючи їхню температуру.

Магнітна пастка: спіймані магнітним полем атоми проходять фінальні етапи охолодження, доки хмара не застигне в майже повному спокої.

На відміну від Землі, де гравітація швидко руйнує стабільність квантових хмар, в умовах космосу вчені можуть спостерігати за поведінкою хвиль матерії значно довше. Це дозволяє здійснювати надточні вимірювання часу, гравітаційних коливань та просторового руху.

Останні вдосконалення дають вченим змогу проводити нові квантові експерименти, які неможливо здійснити на Землі (ілюстрація: NASA)

Четверта модернізація та квантова революція 2.0

Оновлення наукового модуля стало вже четвертим етапом модернізації системи з моменту її виведення на орбіту у 2018 році. Нове обладнання було доставлене на МКС комерційною вантажною місією.

Інженери повністю переробили конструкцію магнітної пастки - це дозволило науковцям змінювати форму хмар квантового газу. Також вчені встановили вдосконалені металеві джерела для генерації стабільніших газових середовищ.

Наразі можливості лабораторії використовують п'ять міжнародних дослідницьких груп. Оновлений комплекс слугуватиме полігоном для тестування технологій наступного покоління - так званої "Квантової революції 2.0", що передбачає пряме маніпулювання великими квантовими станами.

Отримані дані допоможуть у створенні

• високоточних інтерферометрів,
• навігаційних приладів космічного базування,
• датчиків гравітаційного поля Землі, Місяця,
• систем вивчення фундаментальних законів Всесвіту.

Керування всіма процесами лабораторії Cold Atom Lab здійснюється дистанційно фахівцями Лабораторії реактивного руху NASA (JPL) в Каліфорнії.